KR102906876B1 - 배터리 팩의 병렬화 연결의 제어 처리 방법, 장치 및 시스템 - Google Patents

Abstract

배터리 팩의 병렬화 연결의 제어 처리를 수행하는 시스템은 인스트럭션들을 저장하는 메모리및 프로세서를 포함할 수 있다.
시스템은 병렬 연결될 복수의 배터리 팩 각각의 충전 상태(SOC) 및 전압을 센서를 통해 실시간으로 모니터링하고, 복수의 배터리 팩 간의 SOC 차이를 비교 연산을 통해 감지하며, 미리 설정된 SOC 차이 기준값을 초과하는 SOC 차이가 감지되는 경우, 배터리 팩에 포함된 프리차지(Pre-Charge) 회로를 활성화하여 초기 전류를 제한하고, 복수의 배터리 팩 각각에 포함된 스위칭 로직을 제어함으로써배터리 팩 간의 전류 균형을 유지하며, 복수의 배터리 팩의 SOC 차이가 미리 설정된 범위 내로 조정된 후 제어 신호를 통해 상기 프리차지(Pre-Charge) 회로를 우회하고 주 전력 경로를 통해 완전 병렬 연결 상태로 전환하도록 제어할 수 있다.

Description

배터리 팩의 병렬화 연결의 제어 처리 방법, 장치 및 시스템{CONTROL PROCESSING METHOD, DEVICE AND SYSTEM FOR PARALLEL CONNECTION OF BATTERY PACKS}

본 발명은 배터리 팩의 병렬화 연결에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 다른 충전 상태(SOC, State of Charge)를 가진 배터리 팩을 안전하게 병렬 연결하기 위한 제어 처리 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다.

특히, 리튬 배터리 셀을 기반으로 구성된 배터리 팩의 병렬 연결 시 발생할 수 있는 과전류 문제를 해결하고 효율적인 에너지 사용을 가능하게 하는 특징을 가진다.

전기 이동 수단(예: EV, 전기 자전거, 전동 킥보드) 및 에너지 저장 시스템(ESS) 시장이 급속히 성장하면서 배터리 기술의 중요성이 증대되고 있다. 특히, 환경 이슈 및 자원의 순환 측면에서 고용량 배터리 팩의 재사용성 필요성이 높아지고 있으며, 이에 따라 사용된 배터리의 재활용 수요도 증가하고 있다.

일반적으로 배터리 팩을 병렬로 연결하면 용량을 증가시켜 사용 시간을 늘릴 수 있어 효율적이다. 그러나 종래의 기술에서는 서로 다른 충전 상태(SOC)를 가진 배터리 팩을 병렬로 연결할 경우, 두 배터리 간의 전압 차이로 인해 순간적으로 높은 전류가 발생하여 배터리 팩의 부품이 소손 될 수도 있는 문제가 있었다. 예를 들어, SOC가 100%인 배터리와 30%인 배터리를 병렬 연결하면, 순간적으로 높은 전압의 배터리에서 낮은 전압의 배터리로 대량의 전류가 흐르게 된다.

종래 기술들은 DC-DC 컨버터나 충 방전 제어 장치와 같은 추가적인 하드웨어를 필요로 하여 비용이 증가하고 시스템이 복잡해지는 단점이 있다. 따라서 간소화된 방식으로 서로 다른 SOC를 가진 배터리 팩을 안전하게 병렬 연결할 수 있는 기술이 요구될 수 있다.

본 발명은 추가적인 DC-DC 컨버터와 같은 하드웨어를 사용하지 않고도 서로 다른 SOC를 가진 배터리 팩을 안전하게 병렬 연결할 수 있는 제어 방법 및 시스템을 제공하려는 목적을 갖는다.

본 발명은 배터리 팩에 기본적으로 포함되어 있는 Pre-Charge 회로와 스위칭 제어 회로 (Switching control logic) 를 활용하여 병렬 연결 시 발생하는 과전류를 효과적으로 제어하는 방법을 제공하려는 목적을 갖는다.

배터리 팩의 병렬화 연결의 제어 처리를 수행하는 시스템은 인스트럭션들을 저장하는 메모리 및 프로세서를 포함할 수 있다.

시스템은 병렬 연결될 복수의 배터리 팩 각각의 충전 상태(SOC) 및 전압을 센서를 통해 실시간으로 모니터링하고, 복수의 배터리 팩 간의 SOC 차이를 비교 연산을 통해 감지하며, 미리 설정된 SOC 차이 기준값을 초과하는 SOC 차이가 감지되는 경우, 배터리 팩에 포함된 프리차지(Pre-Charge) 회로를 활성화하여 초기 전류를 제한하고, 상기의 배터리 팩은 배터리 관리시스템의 개입 없이 각각의 배터리 팩에 포함 스위치 제어장치 및 프리차지 회로가 전류를 제어하여 능동적으로 전류 균형을 유지하며, 복수의 배터리 팩의 SOC 차이가 미리 설정된 범위 내로 조정된 후 제어 신호를 통해 상기 프리차지(Pre-Charge) 회로를 우회하고 주 전력 경로를 통해 완전 병렬 연결 상태로 전환하도록 제어할 수 있다.

시스템은 전자 장치(예: 단말, 컴퓨터)로 대체될 수 있다. 인스트럭션들에 의해 실행되는 시스템의 동작들은 방법으로 분류될 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 팩의 병렬화 연결 제어 처리 방법, 장치 및 시스템은 추가적인 시스템 제어를 간소화 할 수 있다. 기존 DC-DC 컨버터 방식 대비 간소화된 회로 구성으로 비용을 절감할 수 있다. 이는 배터리 팩에 이미 포함되어 있는 회로와 기존의 스위칭 제어회로를 활용함으로써 하드웨어의 추가와 마스터 관리 시스템의 도움 없이도 안전한 병렬 연결이 가능하기 때문이다.

본 발명에 따른 배터리 팩의 병렬화 연결 제어 처리 방법, 장치 및 시스템은 안정적인 배터리 병렬 연결을 구현할 수 있다. SOC 편차가 있는 배터리 팩도 안전하게 병렬 연결할 수 있도록 제어함으로써, 다양한 충전 상태의 배터리 팩을 활용할 수 있게 된다.

도 1은 일 실시예에 따른 배터리 팩의 병렬화 연결의 제어 처리를 수행하는 시스템의 구성을 블록도로 나타낸 것이다.
도 2는 배터리 팩의 병렬화 연결의 제어 처리 방법을 순서도로 나타낸 것이다.
도 3은 배터리 팩의 병렬화 연결의 제어 처리 방법을 흐름도로 나타낸 것이다.
도 4는 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 나타낸 회로도이다.

실시예에서 사용된 용어는 설명을 위한 것이며, 이를 제한적인 의미로 해석해서는 안 된다. 단수형 표현은 문맥에서 명확하게 다르게 해석되지 않는 한 복수형을 포함하는 것으로 이해된다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다"라는 용어는 명세서에 언급된 특징, 수치, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재한다는 것을 의미하며, 다른 특징이나 수치, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 등이 존재할 가능성을 미리 배제하는 것이 아니다.

특별히 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여 이곳에서 사용되는 모든 용어는 해당 기술 분야에서 일반적으로 통용되는 의미와 동일하게 해석된다. 일반적으로 사용되는 사전에서 정의된 용어는 관련 기술의 맥락에서 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되며, 본 출원에서 특별히 정의하지 않는 한 지나치게 형식적이거나 이상적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부된 도면을 참조하여 설명할 때, 도면의 부호와 관계없이 동일한 구성 요소는 같은 참조 부호를 사용하며, 중복된 설명은 생략된다. 실시예 설명 시, 관련된 공지 기술에 대한 자세한 설명이 실시예의 주요 내용을 불필요하게 복잡하게 만들 수 있다고 판단되면, 그 설명은 생략할 수 있다. 실시예는 개인용 컴퓨터, 노트북, 태블릿, 스마트폰, 텔레비전, 스마트 가전, 지능형 차량, 키오스크, 웨어러블 기기 등 다양한 형태의 제품으로 구현될 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 배터리 팩의 병렬화 연결의 제어 처리를 수행하는 시스템의 구성을 블록도로 나타낸 것이다.

일 실시예에 따른 시스템(100)은 프로세서(120) 및 메모리(130)를 포함할 수 있으며, 도시된 구성 중 일부가 생략 또는 치환될 수도 있다. 일 실시예에 따른 시스템(100)는 서버 또는 단말일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 프로세서(120)는 시스템(100)의 각 구성 요소들의 제어 및/또는 통신에 관한 연산이나 데이터 처리를 수행할 수 있는 구성으로써, 하나 이상의 프로세서들로 구성될 수 있다. 메모리(130)는 상술한 방법과 관련된 정보를 저장하거나 상술한 방법이 구현된 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리(130)는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리일 수 있다. 메모리(130)는 다양한 파일 데이터들을 저장할 수 있으며, 프로세서(120)의 동작에 따라 저장된 파일 데이터들은 업데이트 될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 프로세서(120)는 프로그램을 실행하고, 장치(100)를 제어할 수 있다. 프로세서(120)에 의하여 실행되는 프로그램의 코드는 메모리(130)에 저장될 수 있다. 프로세서(120)의 동작들은 메모리(130)에 저장된 인스트럭션들을 로딩(loading)함으로써 수행될 수 있다. 시스템(100)은 입출력 장치(도면 미 표시)를 통하여 외부 장치(예를 들어, 퍼스널 컴퓨터 또는 네트워크)에 연결되고, 데이터를 교환할 수 있다.

일실시예에 따른 시스템(100)은 프로세서(120) 및 메모리(130)를 포함한다. 일실시예에 따른 시스템(100)은 상술한 서버 또는 단말일 수 있다. 메모리(130)는 상술한 방법과 관련된 정보를 저장하거나 상술한 방법이 구현된 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리(130)는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리일 수 있다.

일실시예에 따른 시스템(100)은 프로세서(120) 및 메모리(130)를 포함한다. 일실시예에 따른 시스템(100)은 상술한 서버 또는 단말일 수 있다. 메모리(130)는 상술한 방법과 관련된 정보를 저장하거나 상술한 방법이 구현된 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리(130)는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리일 수 있다.

도 2는 배터리 팩의 병렬화 연결의 제어 처리 방법을 순서도로 나타낸 것이다.

도 2의 순서도에서 프로세스, 방법, 알고리즘 등이 순차적으로 설명되지만, 이들은 임의의 적합한 순서로 작동하도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 다양한 실시 예에서 설명되는 프로세스, 방법, 알고리즘의 단계들은 본 발명에서 기술된 순서로 수행될 필요가 없다. 일부 단계가 비동기적으로 수행되는 것으로 설명되더라도, 다른 실시 예에서는 이러한 일부 단계가 동시에 수행될 수 있다. 도면에 예시된 프로세스는 다른 변화나 수정을 배제하는 것이 아니며, 예시된 프로세스 또는 그 단계 중 어느 것도 본 발명의 다양한 실시 예 중 하나 이상에 필수적인 것은 아니다.

동작 210에서, 시스템(예: 도 1의 시스템(100))은 프로세서(예: 도 1의 프로세서(120))의 제어 하에, 병렬 연결될 복수의 배터리 팩 각각의 충전 상태(SOC) 및 전압을 센서를 통해 실시간으로 모니터링하고, 비교 연산을 통해 배터리 팩 간의 SOC 차이를 감지할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 충전 상태(SOC)란 배터리의 현재 에너지 저장 수준을 최대 용량 대비 백분율로 표시한 값을 의미할 수 있다. 시스템(100)은 각 배터리 팩에 연결된 전압 센서를 통해 전압값을 측정하고, 이를 내부 알고리즘을 통해 SOC로 변환할 수 있다. 이러한 모니터링은 실시간으로 이루어지며, 아날로그 프론트 엔드(AFE) 회로를 통해 정확한 전압 데이터를 수집하고 이를 디지털 형태로 변환하여 프로세서에 전달할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 이렇게 수집된 데이터를 기반으로 각 배터리 팩 간의 SOC 차이를 수치화하여 분석함으로써, 병렬 연결 시 발생할 수 있는 급격한 전류 흐름을 예측하고 관리할 수 있는 기초 데이터를 확보할 수 있다. 이 과정은 특히 교환형 배터리 시스템에서 서로 다른 충전 상태를 가진 배터리 팩들을 안전하게 병렬 연결하기 위한 필수적인 첫 단계로서, 전체 시스템의 안정성과 효율성을 높이는 데 기여할 수 있다.

동작 220에서, 시스템(100)은 미리 설정된 SOC 차이 기준값을 초과하는 SOC 차이가 감지되는 경우, 배터리 팩에 포함된 프리차지(Pre-Charge) 회로를 활성화하여 초기 전류를 제한하고, 각 배터리 팩은 스위칭 로직을 제어함으로써 배터리 팩 간의 전류 균형을 유지할 수 있다. 배터리 팩은 배터리 관리시스템의 개입 없이 각각의 배터리 팩에 포함 스위치 제어장치 및 프리차지 회로가 전류를 제어하여 능동적으로 전류 균형을 유지할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 프리차지 회로는 일정 저항값(예: 약 1000옴)을 가진 회로로, 배터리 팩 간의 SOC 차이가 클 때 발생할 수 있는 순간적인 과전류를 방지하는 역할을 할 수 있다. 시스템(100)은 프리차지 회로를 활성화하여 초기에는 이 저항을 통해 제한된 전류만이 흐르도록 제어할 수 있다.

예를 들어, 시스템(100)은 SOC 차이가 5% 이상일 경우 프리차지 저항을 통해 최대 0.05A 정도의 제한된 전류만이 흐르도록 하여, SOC가 높은 배터리에서 낮은 배터리로 점진적으로 전하가 이동하도록 할 수 있다. 이러한 제어 방식은 기존의 DC-DC 컨버터를 사용하는 방식보다 회로가 간소화되고 비용이 절감되는 장점이 있으며, 전력 손실도 최소화할 수 있다.

동작 230에서, 시스템(100)은 복수의 배터리 팩의 SOC 차이가 미리 설정된 범위 내로 조정된 후, 제어 신호를 통해 프리차지(Pre-Charge) 회로를 우회하고 주 전력 경로를 통해 완전 병렬 연결 상태로 전환하도록 제어할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 프리차지 회로를 비활성화하고 주 전력 경로의 스위칭 회로를 완전히 활성화하여, 저항에 의한 전압 강하 없이 배터리 팩들이 직접 연결되도록 한다. 이렇게 함으로써 배터리 팩 간의 SOC 차이가 이미 충분히 작아진 상태에서 전력 전송 효율을 최대화할 수 있다. 주 전력 경로는 저항이 없거나 매우 낮은 저항을 가진 경로로, 프리차지 저항을 통한 전력 손실을 최소화하고 배터리 팩 간의 효율적인 전력 공유를 가능하게 할 수 있다.

일 실시예에 따르면,시스템(100)은 안전하게 전환이 완료된 후에는 병렬 연결된 배터리 팩들이 하나의 대용량 배터리처럼 기능할 수 있다. 이러한 최종 병렬 연결 상태는 전체 시스템의 에너지 효율을 극대화하고, 개별 배터리 팩의 수명을 연장하는 효과를 가져올 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 병렬 연결될 복수의 배터리 팩 각각의 충전 상태(SOC) 및 전압을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 이는 각 배터리 팩 내부에 장착된 전압 및 전류 센서들을 통해 측정된 데이터를 프로세서(120)가 수집하고, 수집된 전압 값을 해당 배터리 팩의 공칭 전압과 비교하여 현재 SOC를 추정하는 방식으로 구현될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 각 배터리 팩에서 수집된 SOC 값을 비교 연산을 통해 실시간으로 비교하여 배터리 팩 간의 SOC 차이를 감지할 수 있다. 이러한 모니터링 및 감지 동작은 병렬 연결 과정에서 각 배터리 팩의 상태를 정확히 파악하고, 잠재적인 위험 상황을 미리 감지하여 안전한 연결을 보장하기 위한 의도를 가진다. 만약 감지된 배터리 팩 간의 SOC 차이가 미리 설정된 허용 임계값을 초과하는 경우, 시스템(100)은 SOC가 낮은 배터리 팩에 포함된 프리차지(Pre-Charge) 회로를 즉시 활성화하여 초기 연결 시 발생하는 과도한 돌입 전류를 제한할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 프리차지 회로는 일반적으로 저항 소자를 포함하며, 이 저항 소자를 통해 초기 전류의 흐름을 억제함으로써 배터리 셀이나 연결 부품의 갑작스러운 전압 및 전류 변화로 인한 손상을 방지하는 효과를 가져올 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 각 배터리 팩에 포함된 스위칭 제어 로직을 통해서 배터리 팩 간의 전류 균형을 능동적으로 유지할 수 있다. 이는 각 배터리 팩의 충전 및 방전 상태를 미세하게 조정하여 특정 배터리 팩에 과부하가 걸리거나 불필요한 에너지 손실이 발생하는 것을 최소화하고, 전체 시스템의 효율성을 높이기 위한 목적을 갖는다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 복수의 배터리 팩의 SOC 차이가 미리 설정된 안전 범위 내로 충분히 조정된 후 제어 신호를 발생시켜 프리차지(Pre-Charge) 회로를 우회하고 주 전력 경로를 통해 완전 병렬 연결 상태로 전환하도록 제어할 수 있다. 프리차지 회로를 우회하는 것은 초기 전류 제한을 위해 사용되었던 저항 소자를 전력 경로에서 제외시켜 전력 손실을 줄이고, 주된 전류 흐름 경로를 통해서 배터리 팩들이 직접적으로 연결되어 최대의 전력 효율을 얻을 수 있다. 완전 병렬 연결 상태로 전환됨으로써, 배터리 팩들은 하나의 통합된 에너지 저장 시스템으로 작동하여 시스템의 전체적인 성능과 안정성을 확보하는 효과를 가져올 수 있다.

도 3은 배터리 팩의 병렬화 연결의 제어 처리 방법을 흐름도로 나타낸 것이다.

도 3의 순서도에서 프로세스, 방법, 알고리즘 등이 순차적으로 설명되지만, 이들은 임의의 적합한 순서로 작동하도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 다양한 실시 예에서 설명되는 프로세스, 방법, 알고리즘의 단계들은 본 발명에서 기술된 순서로 수행될 필요가 없다. 일부 단계가 비동기적으로 수행되는 것으로 설명되더라도, 다른 실시 예에서는 이러한 일부 단계가 동시에 수행될 수 있다. 도면에 예시된 프로세스는 다른 변화나 수정을 배제하는 것이 아니며, 예시된 프로세스 또는 그 단계 중 어느 것도 본 발명의 다양한 실시 예 중 하나 이상에 필수적인 것은 아니다.

동작 310에서, 시스템(예: 도 1의 시스템(100))은 프로세서(예: 도 1의 프로세서(120))의 제어 하에, 복수의 배터리 팩이 병렬 연결될 때, 각 배터리 팩의 현재 SOC 값을 확인하고, SOC 차이가 허용 임계값보다 큰 경우, SOC가 낮은 배터리 팩의 프리차지 회로를 활성화하여 저항을 통해 전류를 제한할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 각 배터리 팩의 SOC를 정확하게 측정하기 위해 전압 측정과 함께 배터리의 내부 상태를 고려한 알고리즘을 사용할 수 있다. SOC 차이가 임계값을 초과하면, 시스템은 먼저 SOC가 낮은 배터리 팩에 연결된 프리차지 회로의 스위치(FET)를 제어신호를 통해 활성화한다. 이러한 초기 제어 방식은 병렬 연결 시 발생할 수 있는 갑작스러운 전류 서지를 방지하여 배터리 팩의 안전성을 확보하고, 전자 부품의 소손이나 배터리 셀의 열화를 예방하는 효과가 있다.

동작 320에서, 시스템(100)은 프리차지 회로를 통해 SOC가 높은 배터리 팩에서 SOC가 낮은 배터리 팩으로 흐르는 전류를 해당 저항으로 조절하여 과전류로 인한 배터리 팩 부품의 소손을 방지할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 프리차지 회로에 내장된 저항은 옴의 법칙(V=IR)에 따라 전압 차이에 비례하는 전류가 흐르는 것을 제한하는 역할을 한다. 예를 들어, 5V의 전압 차이가 있을 때 15mΩ의 내부 저항만으로는 약 333A의 높은 전류가 순간적으로 흐를 수 있지만, 1옴의 프리차지 저항을 사용하면 5A 로 전류를 크게 제한할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 션트 저항과 전류 센서를 통해 실제 흐르는 전류를 실시간으로 모니터링하면서 피드백 제어 방식으로 프리차지 회로의 작동을 정밀하게 조절할 수 있다. 이는 기존의 DC-DC 컨버터 방식에 비해 회로 구성이 간단하고 비용이 저렴하면서도 효과적인 전류 제한 기능을 제공할 수 있다.

동작 330에서, 시스템(100)은 배터리 팩 각각에 있는 MCU(Microcontroller Unit)를 통해 AFE(Analog Front-End)로부터 배터리의 전압과 온도 데이터를 수신하고, 이를 기반으로 프리차징 회로와 스위칭 제어로직을 통해서 배터리 팩 간 전류 흐름을 정밀하게 제어할 수 있다.

일 실시예에 따르면, AFE는 배터리 셀의 전압, 온도, 전류 등의 아날로그 신호를 측정하여 디지털 데이터로 변환하는 역할을 하며, 각 배터리 팩 내부에 위치하여 실시간으로 배터리 상태 데이터를 수집한다.

일 실시예에 따르면, MCU는 이 데이터를 분석하여 배터리의 현재 상태를 정확히 파악하고, 이에 기반하여 프리차지 회로와 주 전력 경로의 전류를 제어하는 신호를 생성한다. 이러한 정밀 제어는 배터리 팩 간의 SOC 균형을 점진적으로 맞추는 과정에서 과전류나 과열을 방지하여 배터리의 안전성과 수명을 향상시키는 효과를 가져올 수 있다.

동작 340에서, 시스템(100)은 배터리 팩 간 SOC 차이가 허용 범위 내로 감소하면, 프리차지 회로를 비활성화하고 주된 전류 흐름 통로를 개방하여 병렬 연결된 배터리 팩 간의 전력 손실을 최소화하도록 제어할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 실시간 모니터링을 통해 배터리 팩 간의 SOC 차이가 안전 임계값(예: 2% 이내) 이하로 감소했음을 감지하면, 프리차지 를 OFF 상태로 전환하고 주 전력 경로를 완전히 ON 상태로 전환시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 주 전력 경로를 통한 병렬 연결이 완료되면 저항에 의한 전압 강하와 발열을 최소화시켜 에너지 효율을 극대화할 수 있다. 또한 이 상태에서는 배터리 팩들이 마치 하나의 대용량 배터리처럼 작동하여, 개별 배터리 팩에 가해지는 부하가 분산되고 각 배터리의 수명이 연장되는 효과를 얻을 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 복수의 배터리 팩이 병렬 연결될 때, 프로세서(120)의 제어 하에 각 배터리 팩의 현재 SOC 값을 실시간으로 확인할 수 있다. 이는 각 배터리 팩 내의 배터리 관리 시스템(BMS) 또는 아날로그 프론트 엔드(AFE)로부터 수집된 전압 데이터를 기반으로 SOC를 추정하는 방식으로 구현될 수 있으며, 각 배터리 팩의 초기 충전 상태를 파악하여 연결 안전성을 확보하기 위한 의도를 가진다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 SOC 차이가 허용 임계값보다 큰 경우, SOC가 낮은 배터리 팩의 프리차지 회로를 활성화하여 내장된 저항을 통해 전류를 제한할 수 있다. 프리차지 회로는 초기 연결 시 발생하는 돌입 전류를 억제하여 배터리 셀이나 연결 부품의 손상을 방지하는 효과를 가져오며, 특히 SOC가 크게 다른 배터리 팩을 연결할 때 안전성을 확보하는 데 중요한 역할을 할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 프리차지 회로를 통해 SOC가 높은 배터리 팩에서 SOC가 낮은 배터리 팩으로 흐르는 전류는 해당 저항에 의해 조절되어, 과도한 전류가 순간적으로 흐르는 것을 막아 배터리 팩 내부의 스위칭 소자(FET 등)나 보호 회로의 손상을 효과적으로 방지할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 각 배터리 팩에 있는 MCU를 통해 AFE로부터 배터리의 전압과 온도 데이터를 지속적으로 수신하고, 배터리 팩 간의 전류 흐름을 능동적으로 제어할 수 있다. 이는 각 배터리 팩의 SOC 균형을 유지하고, 특정 배터리 팩에 과부하가 걸리는 것을 방지하며, 전체 배터리 시스템의 효율성과 수명을 향상시키는 효과를 가진다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 배터리 팩 간의 SOC 차이가 점차 감소하여 허용 범위 내로 수렴하게 되면 프리차지 회로를 비활성화하고 주된 전류 흐름 경로를 완전히 켜서 병렬 연결된 배터리 팩 간의 전력 손실을 최소화하도록 제어할 수 있다. 이는 프리차지 단계에서 불가피하게 발생하는 저항으로 인한 전력 손실을 줄이고, 정상적인 작동 상태에서 최적의 에너지 효율을 달성할 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 나타낸 회로도이다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 배터리 팩(예: 제 1 배터리 팩(BatteryPack_1) 내지 제 N 배터리 팩(BatteryPack_N))과 이를 총괄 제어하는 마스터 배터리 관리 시스템(MBMS, 410)을 포함할 수 있다. 각 배터리 팩은 동일한 구조를 가지고 있으며, 주요 구성 요소로는 배터리 셀, 아날로그 프론트 엔드(AFE, 420), 마이크로컨트롤러 유닛(MCU, 430), LDC(Low-voltage DC) 컨버터(440), 프리차지 회로(450) 및 필드 효과 트랜지스터(FET)(462)를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 각 배터리 팩에서 배터리 셀은 전기 에너지를 저장하고 공급하는 기본 단위로, 하나 이상의 셀이 직렬 또는 병렬로 연결되어 배터리 모듈을 구성할 수 있다. 아날로그 프론트 엔드(AFE, 420)는 배터리 셀의 전압, 온도, 전류 등의 아날로그 신호를 측정하고 이를 디지털 신호로 변환하여 마이크로컨트롤러 유닛(MCU, 430)에 전달하는 역할을 수행할 수 있다. AFE(420)는 각 셀의 전압을 개별적으로 모니터링할 수 있는 정밀 측정 회로를 포함하여, 셀 간 전압 불균형을 정확히 감지할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 마이크로컨트롤러 유닛(MCU, 430)은 배터리 팩의 두뇌 역할을 하는 부분으로, AFE(420)로부터 수신한 데이터를 처리하고 배터리 팩의 상태를 관리하며 프리차지 회로(450)와 FET(462)를 제어하는 기능을 수행할 수 있다. MCU(430)는 내장된 알고리즘을 통해 배터리의 SOC를 계산하고, 전압, 전류, 온도 데이터를 기반으로 배터리 상태를 실시간으로 평가할 수 있다. 또한 MCU(430)는 CAN 통신이나 I2C 통신 등의 인터페이스를 통해 마스터 배터리 관리 시스템(MBMS, 410)과 통신하여 상태 정보를 전송하고 제어 명령을 수신할 수 있다.

일 실시예에 따르면, LDC 컨버터(440)는 배터리 팩 내부에서 사용되는 각종 전자 회로(MCU, AFE 등)에 안정적인 전원을 공급하는 역할을 수행할 수 있다. 배터리 전압은 방전에 따라 변동될 수 있으므로, LDC컨버터(440)는 이러한 변동에도 불구하고 일정한 전압을 유지하여 전자 회로가 안정적으로 작동할 수 있도록 한다.

일 실시예에 따르면, 프리차지 회로(450)는 도 4에서 빨간색으로 강조된 부분으로, 저항과 스위칭 제어를 포함하고 있다. 이 회로는 배터리 팩이 병렬로 연결될 때 발생할 수 있는 초기 과전류를 제한하는 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, SOC가 80%인 배터리 팩과 30%인 배터리 팩이 직접 연결되면 그 SOC 차이로 인해 순간적으로 큰 전류가 흐를 수 있는데, 프리차지 회로(450)는 이러한 과전류를 방지하여 배터리 팩의 부품 소손을 예방할 수 있다. 시스템(100)은 프리차지 회로(450)를 활성화하거나 비활성화할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 프리차지(Pre-Charge) 회로는 배터리 팩 병렬화 연결 시스템(100)에서 안전 장치 역할을 수행할 수 있다. 프리차지(Pre-Charge) 회로는 시스템(100)이 서로 다른 충전 상태(SOC)를 가진 배터리 팩들을 안전하게 병렬 연결할 수 있도록 지원할 수 있다. 본 발명에서 프리차지 회로(450)는 일정한 저항값을 가진 전류 제한 저항과 이를 제어하는 스위칭 소자(461)로 구성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 프리차지 회로(450)의 주요 기능은 배터리 팩 간 SOC 차이가 클 때 발생할 수 있는 급격한, 제어되지 않은 전류의 흐름을 방지하는 것이다. 예를 들어, SOC가 90%인 배터리 팩과 40%인 배터리 팩이 직접 연결될 경우, 옴의 법칙(V=IR)에 따라 두 배터리 간의 전압 차이에 비례하여 매우 큰 전류가 순간적으로 발생할 수 있다. 이러한 대전류는 배터리 팩 내부의 전자 부품이나 보호 회로에 심각한 손상을 초래할 수 있으며, 극단적인 경우 화재나 폭발의 위험도 존재할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 프리차지 회로(450)는 이러한 위험을 방지하기 위해 전류 제한 저항을 통해 초기 전류를 안전한 수준으로 제한한다. 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 프리차지 저항은 약 1000Ω의 값을 가질 수 있으며, 이는 배터리 팩의 용량과 예상되는 최대 전압 차이를 고려하여 설계된 값이다. 이러한 저항 값을 적용하면, 예를 들어 5V의 전압 차이가 있는 경우에도 초기 전류를 약 5mA(5V/1000Ω) 수준으로 제한할 수 있어, 안전한 병렬 연결이 가능하다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 먼저 각 배터리 팩의 SOC를 측정하여 SOC 차이를 계산할 수 있다. 이 차이가 설정된 임계값(예: 5%)을 초과하는 경우, 시스템(100)은 프리차지 로직을 활성화하여 프리차지 저항을 통한 제한된 경로로 전류가 흐르도록 한다. 이때 주 전력 경로를 제어하는 제2 FET(462)는 비활성화 상태를 유지하여, 모든 전류가 반드시 프리차지 저항을 통과하도록 한다.

일 실시예에 따르면, 프리차지 회로(450)는 과열 방지 기능을 구현할 수 있다. 전류 제한 저항을 통해 전류가 흐를 때 저항에서 열이 발생하며, 이는 저항의 전력 소모(P=I^2*R)에 비례할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 프리차지 회로(450)에 사용되는 저항은 일반적으로 세라믹 저항이나 금속 필름 저항과 같은 고전력 저항이 사용될 수 있으며, 예상되는 최대 전류와 전압 조건에서 안전하게 작동할 수 있는 충분한 전력 정격(예: 10W 이상)을 가져야 한다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 배터리 팩 간 SOC 차이가 허용 범위 내로 감소하면, 프리차지 회로(450)를 우회하고 주 전력 경로를 활성화하는 전환 과정을 시작한다.

시스템(100)은 최종적으로 배터리 팩 간 SOC 균형이 완전히 이루어지면, 프리차지 회로를 완전히 비활성화하여 프리차지 회로(450)를 우회하고, 주된 전류 흐름 경로를 완전히 활성화하여 저항이 없는 주 전력 경로를 통해 효율적인 전력 전송이 이루어지도록 한다. 이 상태에서는 프리차지 저항에 의한 전력 손실이 없어져 시스템 효율이 극대화될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 프리차지 회로(450)는 기존의 배터리 보호 회로에서도 사용되는 기술이지만, 본 발명에서는 이를 배터리 팩 병렬화 제어에 활용함으로써 별도의 복잡한 DC-DC 컨버터 없이도 안전하고 효율적인 배터리 팩 병렬 연결을 가능하게 한다. 이는 기존의 DC-DC 컨버터 방식에 비해 회로 구성이 간소화되고 비용이 절감되는 효과를 제공하며, 동시에 충전 상태가 다른 배터리 팩도 안전하게 병렬 연결할 수 있어 사용자 편의성과 시스템 유연성을 크게 향상시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 제2 FET(462)는 주 전력 경로를 제어하는 스위치 역할을 수행할 수 있다. 배터리 팩 간 SOC 차이가 허용 범위 내로 조정된 후에는, 시스템(100)이 주된 전류 흐름 경로를 활성화하여 저항에 의한 전력 손실 없이 효율적인 전력 전송이 이루어지도록 할 수 있다.

일 실시예에 따르면, FET 주변에 표시된 션트 저항은 전류 측정을 위한 저항으로, 전류가 흐를 때 발생하는 미세한 전압 강하를 측정하여 전류값을 정확히 파악할 수 있게 한다. 이 측정값은 AFE(420)를 통해 MCU(430)로 전달되어 전류 제어 및 과전류 보호에 활용될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 마스터 배터리 관리 시스템(MBMS, 410)은 도 4의 오른쪽에 표시된 부분으로, 모든 배터리 팩의 상태를 종합적으로 관리하고 제어하는 중앙 제어 장치 역할을 수행할 수 있다. MBMS(410)는 각 배터리 팩의 MCU(430)와 통신하여 SOC, 전압, 전류, 온도 등의 정보를 수집하고, 배터리 팩의 성능과 수명을 최적화하기 위한 다양한 알고리즘을 실행할 수 있다.

도 4에서 빨간색, 녹색, 파란색 선은 각각 전력선(+, -), 제어 신호선, 통신선을 나타낼 수 있다. 전력선(예: 빨간색, 파란색)을 통해 배터리 팩 간의 전력 공유가 이루어지며, 제어 신호선(예: 녹색)을 통해 MBMS(410)가 각 배터리 팩의 MCU(430)와 통신하여 제어 명령을 전달할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 이러한 구성을 통해 기존의 DC-DC 컨버터를 활용한 방식보다 간소화된 회로 구성으로도 효과적인 배터리 팩 병렬화를 실현할 수 있다. 특히 프리차지 회로(450)와 주된 전류 통로(462)의 정밀한 제어를 통해, 충전 상태가 다른 배터리 팩도 안전하게 병렬 연결할 수 있어 배터리 교체 및 활용의 편의성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 이러한 제어 방식은 배터리 간 전류 균형을 유지하여 특정 배터리의 과부하를 방지하고, 전체 배터리 시스템의 수명과 성능을 최적화하는 데 기여할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 각 배터리 팩의 성능 변화를 데이터베이스에 기록하여 추적하고, 충전/방전 횟수, 최대/최소 전압 도달 빈도, 고온 노출 시간 등의 이력 데이터를 분석 알고리즘을 통해 분석하여 배터리 팩의 잔존 수명을 예측하고, 예측된 잔존 수명이 설정된 수명 기준값보다 낮아진 배터리 팩이 감지되면, 인터페이스를 통해 사용자에게 교체 시점을 알리거나 제어 알고리즘에 따라 해당 배터리 팩의 충방전 비율을 조절하도록 제어할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 병렬 연결된 복수의 배터리 팩들의 온도, 전압 및 전류 변화를 내장된 온도, 전압, 전류 센서들을 통해 실시간으로 모니터링하고, 각 배터리 팩의 단위 시간당 온도 증가율을 계산하여 미리 설정된 온도 증가율 기준값을 초과하거나, 특정 배터리 팩의 온도가 미리 설정된 안전 온도 기준값을 초과하는 상황이 발생하면, 제어 신호를 발생시켜 해당 배터리 팩의 연결을 물리적으로 차단할 수 있다. 이는 배터리 셀의 과열로 인한 열폭주와 같은 잠재적인 안전 사고를 미연에 방지할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 병렬 연결 상태에서 외부 부하, 예를 들어 전기 자동차의 모터나 에너지 저장 시스템의 외부 장치 등의 전력 요구량이 미리 설정된 기준값 이상으로 갑자기 증가하는 상황을 감지하면, 각 배터리 팩의 현재 충전 상태(SOC), 내부 저항, 현재 온도 상태 및 과거의 충전 및 방전 이력 데이터를 시스템 내의 데이터베이스로부터 실시간으로 읽어와 심층적으로 분석할 수 있다. 이는 시스템의 전체적인 효율성을 극대화하고, 각 배터리 팩의 수명을 균등하게 관리하여 시스템의 장기적인 안정성을 확보하는 데 기여할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 병렬 연결 전에, 각 배터리 팩을 설정된 최소 작동 전압까지 방전시키고, 상기 방전 상태에서 교류 임피던스 분석(ACIS)을 통해 각 배터리 팩 내 배터리 셀의 내부 저항 값을 측정하고, 각 배터리 팩의 개방 회로 전압(OCV) 값을 측정하며, 상기 측정된 내부 저항 값 및 OCV 값을 기 저장된 기준 값과 비교하여 성능이 저하된 배터리 팩을 1차 선별하고, 1차 선별을 통과한 배터리 팩들에 대해 통계적 분석 방법을 적용하여 이상치(outlier)를 제거하며, 상기 잔존하는 배터리 팩들을 내부 저항 및 OCV 특성이 유사한 그룹으로 분류하고, 동일 그룹 내의 배터리 팩들을 대상으로 하여 병렬 연결 제어를 수행하도록 제어할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 사용 이력이 있는 재사용 리튬 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩에 대해 병렬 연결 전에 특별한 전처리 과정을 수행할 수 있다. 방전 상태에서 시스템(100)은 교류 임피던스 분석(ACIS)을 통해 각 배터리 팩 내 배터리 셀의 내부 저항 값을 측정할 수 있다. ACIS 방식은 배터리에 특정 주파수 범위의 작은 교류 신호를 인가하고 이에 대한 임피던스 응답을 측정하는 기술을 의미할 수 있다.

또한, 시스템(100)은 고정밀 전압계를 사용하여 각 배터리 팩의 개방 회로 전압(OCV) 값을 측정할 수 있다. 시스템(100)은 측정된 내부 저항 값 및 OCV 값을 데이터베이스에 저장된 정상 배터리의 기준 값과 비교하여, 기준 저항 값 대비 내부 저항이 설정된 비율 이상 증가한 배터리 팩들을 병렬 연결 대상에서 제외하는 1차 선별 과정을 수행할 수 있다.

시스템(100)은 1차 선별을 통과한 배터리 팩들에 대해 박스 플롯(Box Plot) 등의 통계적 분석 방법을 적용하여 데이터의 분포 범위를 계산하고, 이 범위를 벗어나는 SOC 및 내부 저항 값을 가진 배터리 팩들을 이상치(outlier)로 판단하여 제거할 수 있다. 시스템(100)은 K-means나 계층적 클러스터링과 같은 분류 알고리즘을 통해 잔존하는 배터리 팩들을 내부 저항 및 OCV 특성이 유사한 값을 가지는 여러 그룹으로 분류하고, 동일 그룹 내의 배터리 팩들을 대상으로 하여 병렬 연결 제어를 수행함으로써 재사용 배터리 팩 간의 성능 편차를 최소화할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 상기 미리 설정된 SOC 차이 기준값을 초과하는 SOC 차이가 감지되는 경우, 상기 제1 스위칭 소자를 활성화하고 상기 제2 스위칭 소자는 비활성화하여 상기 프리차지 회로를 통해 초기 전류를 제한하고, 상기 프리차지 회로가 활성화된 동안 각 배터리 팩의 전압 변화율을 실시간으로 모니터링하며, 상기 모니터링된 전압 변화율에 기반하여, 상기 제1 스위칭 소자의 펄스 폭 변조(PWM) 듀티 사이클을 조절함으로써 상기 배터리 팩 간에 이동하는 전류의 크기를 점진적으로 제어하고, 상기 복수의 배터리 팩의 SOC 차이가 상기 미리 설정된 범위 내로 조정되는 경우, 상기 제1 스위칭 소자의 활성화를 점진적으로 감소시키는 동시에 상기 제2 스위칭 소자를 점진적으로 활성화하여 상기 주 전력 경로를 형성하며, 최종적으로 상기 제1 스위칭 소자를 비활성화하고 상기 제2 스위칭 소자를 완전히 활성화하여 상기 완전 병렬 연결 상태로 전환하도록 제어할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)의 스위칭 로직은 프리차지 회로를 포함하는 프리차지 경로를 위한 제1 스위칭 소자 및 주 전력 경로를 위한 제2 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 여기서 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자는 릴레이, 컨택터, 또는 필드 효과 트랜지스터(FET)와 같은 전력 스위칭 소자일 수 있다.

시스템(100)은 미리 설정된 SOC 차이 기준값(예: 5%)을 초과하는 SOC 차이가 감지되는 경우, 제1 스위칭 소자를 활성화하고 제2 스위칭 소자는 비활성화하여 프리차지 회로의 저항을 통해 초기 전류를 제한할 수 있다. 이러한 구성은 SOC 차이가 큰 배터리 팩 간의 과도한 전류 흐름을 방지할 수 있다. 시스템(100)은 프리차지 회로가 활성화된 동안 각 배터리 팩의 전압 변화율(dV/dt)을 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 이는 아날로그 프론트 엔드(AFE) 회로를 통한 연속적인 전압 샘플링으로 구현될 수 있다.

시스템(100)은 모니터링된 전압 변화율에 기반하여, 제1 스위칭 소자의 펄스 폭 변조(PWM) 듀티 사이클을 조절함으로써 배터리 팩 간에 이동하는 전류의 크기를 점진적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 전압 변화율이 너무 높으면 듀티 사이클을 낮추어 평균 전류를 감소시키고, 변화율이 적정 수준이면 듀티 사이클을 높여 전류 흐름을 원활하게 할 수 있다.

복수의 배터리 팩의 SOC 차이가 미리 설정된 범위(예: 2% 이내) 내로 조정되는 경우, 시스템(100)은 제1 스위칭 소자의 활성화를 점진적으로 감소시키는 동시에 제2 스위칭 소자를 점진적으로 활성화하여 주 전력 경로를 형성할 수 있다. 이러한 점진적 전환은 갑작스러운 경로 변경으로 인한 전류 서지를 방지할 수 있다. 최종적으로 시스템(100)은 제1 스위칭 소자를 완전히 비활성화하고 제2 스위칭 소자를 완전히 활성화하여 저항에 의한 전력 손실 없이 완전 병렬 연결 상태로 전환할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 상기 병렬 연결된 복수의 배터리 팩 각각의 온도를 센서를 통해 실시간으로 모니터링하고, 각 배터리 팩의 단위 시간당 온도 증가율을 계산하며, 상기 모니터링된 온도 또는 상기 계산된 온도 증가율 중 적어도 하나가 미리 설정된 안전 기준값을 초과하는 배터리 팩이 감지되는 경우, 해당 배터리 팩의 상기 스위칭 로직을 제어하여 해당 배터리 팩의 충전 또는 방전 전류를 설정된 한계값 이하로 제한하거나, 또는 해당 배터리 팩의 병렬 연결을 차단하도록 제어할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 병렬 연결된 복수의 배터리 팩 각각의 온도를 온도 센서를 통해 실시간으로 모니터링할 수 있다. 이러한 온도 모니터링은 각 배터리 팩에 부착된 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터와 같은 온도 센서를 통해 이루어질 수 있다.

시스템(100)은 일정 시간 간격으로 수집된 온도 데이터를 기반으로 각 배터리 팩의 단위 시간당 온도 증가율(dT/dt)을 계산할 수 있다. 이 온도 증가율은 배터리의 발열 속도를 나타내는 중요한 지표로, 배터리의 안전 상태를 판단하는 데 활용될 수 있다. 시스템(100)은 모니터링된 온도 또는 계산된 온도 증가율 중 적어도 하나가 미리 설정된 안전 기준값을 초과하는 배터리 팩이 감지되는 경우, 해당 배터리 팩의 스위칭 로직을 제어하여 충전 또는 방전 전류를 설정된 한계값 이하로 제한하거나, 또는 해당 배터리 팩의 병렬 연결을 완전히 차단할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 스위칭 로직은 프리차지 회로를 포함하는 프리차지 경로를 위한 제1 스위칭 소자 및 상기 주 전력 경로를 위한 제2 스위칭 소자를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 미리 설정된 SOC 차이 기준값을 초과하는 SOC 차이가 감지되는 경우, 상기 제1 스위칭 소자를 활성화하고 상기 제2 스위칭 소자는 비활성화하여 상기 프리차지 회로를 통해 초기 전류를 제한하고, 프리차지 회로가 활성화된 동안 각 배터리 팩의 전압 변화율을 실시간으로 모니터링하며, 모니터링된 전압 변화율에 기반하여, 상기 제1 스위칭 소자의 펄스 폭 변조(PWM) 듀티 사이클을 조절함으로써 상기 배터리 팩 간에 이동하는 전류의 크기를 점진적으로 제어하고, 복수의 배터리 팩의 SOC 차이가 상기 미리 설정된 범위 내로 조정되는 경우, 상기 제1 스위칭 소자의 활성화를 점진적으로 감소시키는 동시에 상기 제2 스위칭 소자를 점진적으로 활성화하여 상기 주 전력 경로를 형성하며, 제1 스위칭 소자를 비활성화하고 상기 제2 스위칭 소자를 완전히 활성화하여 상기 완전 병렬 연결 상태로 전환하도록 제어할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자는 릴레이, 컨택터, 또는 필드 효과 트랜지스터(FET)와 같은 전력 스위칭 소자일 수 있다. 스위칭 로직의 이중 경로 구조는 배터리 팩 간의 전류 흐름을 세밀하게 제어하기 위한 구성으로, 안전성과 효율성을 동시에 확보하는데 도움을 줄 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 미리 설정된 SOC 차이 기준값(예: 5%)을 초과하는 SOC 차이가 감지되는 경우, 제1 스위칭 소자를 활성화하고 제2 스위칭 소자는 비활성화하여 프리차지 회로의 저항을 통해 초기 전류를 제한할 수 있다. 이러한 구성은 SOC 차이가 큰 배터리 팩 간의 과도한 전류 흐름을 방지할 수 있다. 시스템(100)은 프리차지 회로가 활성화된 동안 각 배터리 팩의 전압 변화율(dV/dt)을 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 아날로그 프론트 엔드(AFE) 회로를 통한 연속적인 전압 샘플링으로 구현될 수 있다. 시스템(100)은 전압 변화율을 모니터링하여 배터리 팩 간의 에너지 이동 속도를 추적하여 과도한 전류 흐름이나 급격한 전압 변동을 감지할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 모니터링된 전압 변화율에 기반하여, 제1 스위칭 소자의 펄스 폭 변조(PWM) 듀티 사이클을 조절함으로써 배터리 팩 간에 이동하는 전류의 크기를 점진적으로 제어할 수 있다. PWM 듀티 사이클은 스위칭 소자가 켜진 시간과 꺼진 시간의 비율을 의미하며, 이를 조절함으로써 평균 전류를 정밀하게 제어할 수 있다. 예를 들어, 전압 변화율이 너무 높으면 듀티 사이클을 낮추어 평균 전류를 감소시키고, 변화율이 적정 수준이면 듀티 사이클을 높여 전류 흐름을 원활하게 할 수 있다. 시스템(100)은 점진적 전류 제어 방식을 통해 배터리 셀의 급격한 충방전을 방지하여 셀 수명을 연장하고 안정성을 높일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 복수의 배터리 팩의 SOC 차이가 미리 설정된 범위(예: 2% 이내) 내로 조정되는 경우, 시스템(100)은 제1 스위칭 소자의 활성화를 점진적으로 감소시키는 동시에 제2 스위칭 소자를 점진적으로 활성화하여 주 전력 경로를 형성할 수 있다. 미리 설정된 범위는 일 예시일 뿐 설정에 따라 달라질 수 있다. 시스템(100)은 점진적 전환 방식을 통해 갑작스러운 경로 변경으로 인한 전류 서지를 방지할 수 있다. 예를 들어, 시스템(100)은 제1 스위칭 소자의 듀티 사이클을 서서히 낮추고, 동시에 제2 스위칭 소자의 듀티 사이클을 서서히 높이는 방식으로 전력 경로를 전환할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 최종적으로 시스템(100)은 제1 스위칭 소자를 완전히 비활성화하고 제2 스위칭 소자를 완전히 활성화하여 저항에 의한 전력 손실 없이 완전 병렬 연결 상태로 전환할 수 있다. 시스템(100)은 프리차지 회로의 저항을 완전히 우회하여 전류가 저항이 최소화된 주 전력 경로로만 흐르게 제어하여 전력 효율을 극대화할 수 있다. 완전 병렬 연결 상태에서는 배터리 팩들이 마치 하나의 대용량 배터리처럼 작동하여 부하를 분산시키고, 개별 배터리의 부담을 줄이는 효과를 가져올 수 있다.

위에서 설명한 실시예는 하드웨어 구성 요소, 소프트웨어 구성 요소, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 설명된 장치, 방법 및 구성 요소는 프로세서, 컨트롤러, 산술 논리 장치(ALU), 디지털 신호 프로세서(DSP), 마이크로컴퓨터, FPGA(필드 프로그래머블 게이트 어레이), PLU(프로그래머블 로직 유닛), 마이크로프로세서 등과 같은 하나 이상의 범용 또는 특수 목적 컴퓨터를 사용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS)와 해당 운영 체제에서 실행되는 여러 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어 실행에 응답하여 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수 있다.

이해를 돕기 위해 처리 장치가 하나로 설명되기도 하지만, 해당 기술 분야에서 일반적으로 알고 있는 사람은 처리 장치가 여러 개의 처리 요소 및/또는 다양한 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 여러 프로세서나 하나의 프로세서와 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있으며, 병렬 프로세서와 같은 다른 처리 구성도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램, 코드, 명령 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 기능을 수행하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합하여 처리 장치를 제어할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는 처리 장치에 의해 해석되거나 명령 또는 데이터를 제공하기 위해 다양한 기계, 구성 요소, 물리적 장치, 가상 장치, 컴퓨터 저장 매체 또는 전송 신호로 영구적 또는 일시적으로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크에 연결된 컴퓨터 시스템에서 분산되어 저장되거나 실행될 수 있으며, 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

비록 실시예가 특정 도면을 통해 설명되었지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 사람은 이를 바탕으로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술이 다른 순서로 수행되거나, 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성 요소가 다른 형태로 결합되거나, 다른 구성 요소 또는 동등한 것으로 대체되더라도 적절한 결과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 배터리 팩의 병렬화 연결의 제어 처리를 수행하는 시스템은
   인스트럭션들을 저장하는 메모리 및
   프로세서를 포함하고,
   상기 인스트럭션들은, 상기 프로세서에 의해 실행 시에, 상기 시스템이
   병렬 연결될 복수의 배터리 팩 각각의 충전 상태(SOC) 및 전압을 센서를 통해 실시간으로 모니터링하고,
   상기 복수의 배터리 팩 간의 SOC 차이를 비교 연산을 통해 감지하며,
   미리 설정된 SOC 차이 기준값을 초과하는 SOC 차이가 감지되는 경우, 배터리 팩에 포함된 프리차지(Pre-Charge) 회로를 활성화하여 초기 전류를 제한하고,
   상기의 배터리 팩은 배터리 관리시스템의 개입 없이 각각의 배터리 팩에 포함 스위치 제어장치 및 프리차지 회로가 전류를 제어하여 능동적으로 전류 균형을 유지하며,
   상기 복수의 배터리 팩 각각에 포함된 스위칭 로직을 제어하여 배터리 팩 간의 전류 크기를 제어함으로써, 상기 복수의 배터리 팩의 전압 또는 SOC(State of Charge)가 균형을 이루도록 하며,
   상기 복수의 배터리 팩의 SOC 차이가 미리 설정된 범위 내로 조정된 후 제어 신호를 통해 상기 프리차지(Pre-Charge) 회로를 우회하고 주 전력 경로를 통해 완전 병렬 연결 상태로 전환하도록 제어하고,
   병렬 연결된 복수의 배터리 팩들의 온도, 전압 및 전류 변화를 센서를 통해 실시간으로 모니터링하고,
   각 배터리 팩의 단위 시간당 온도 증가율을 계산하여 설정된 온도 증가율 기준값을 초과하거나, 특정 배터리 팩의 온도가 설정된 안전 온도 기준값을 초과하는 경우, 해당 배터리 팩의 FET 제어를 통해 충전 또는 방전 전류를 설정된 한계값 이하로 제한하거나, 제어 신호를 통해 해당 배터리 팩의 연결을 차단하며,
   병렬 연결 상태에서 외부 부하의 전력 요구량이 설정된 기준값 이상으로 증가하는 상황을 감지하면, 각 배터리 팩의 현재 충전 상태(SOC), 내부 저항, 현재 온도 상태 및 과거의 충전 및 방전 이력 데이터를 데이터베이스로부터 읽어와 분석하고, 상기 분석 결과에 기반하여 각 배터리 팩 내 FET의 펄스 폭 변조(PWM) 듀티 사이클을 조절함으로써 각 배터리 팩으로부터 출력되는 전류의 크기를 제어하여 부하를 분산시켜 특정 배터리 팩에 과부하가 걸리는 것을 방지하고,
   각 배터리 팩의 성능 변화를 데이터베이스에 기록하여 추적하고, 충전/방전 횟수, 최대/최소 전압 도달 빈도, 고온 노출 시간 등의 이력 데이터를 분석 알고리즘을 통해 분석하여 배터리 팩의 잔존 수명을 예측하고,
   예측된 잔존 수명이 설정된 수명 기준값보다 낮아진 배터리 팩이 감지되면, 인터페이스를 통해 사용자에게 교체 시점을 알리거나 제어 알고리즘에 따라 해당 배터리 팩의 충방전 비율을 조절하도록 제어하고,
   병렬 연결 전에, 각 배터리 팩을 설정된 최소 작동 전압까지 방전시키고, 방전 상태에서 교류 임피던스 분석(ACIS)을 통해 각 배터리 팩 내 배터리 셀의 내부 저항 값을 측정하고, 각 배터리 팩의 개방 회로 전압(OCV) 값을 측정하며, 상기 측정된 내부 저항 값 및 OCV 값을 기 저장된 기준 값과 비교하여 성능이 저하된 배터리 팩을 1차 선별하고, 1차 선별을 통과한 배터리 팩들에 대해 통계적 분석 방법을 적용하여 이상치(outlier)를 제거하며, 상기 잔존하는 배터리 팩들을 내부 저항 및 OCV 특성이 유사한 그룹으로 분류하고, 동일 그룹 내의 배터리 팩들을 대상으로 하여 병렬 연결 제어를 수행하도록 제어하는 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 인스트럭션들은, 상기 프로세서에 의해 실행 시에, 상기 시스템이
   상기 복수의 배터리 팩이 병렬 연결될 때, 각 배터리 팩의 현재 SOC 값을 확인하고, SOC 차이가 허용 임계값보다 큰 경우, SOC가 낮은 배터리 팩의 프리차지 회로를 활성화하여 저항을 통해 전류를 제한하고,
   상기 프리차지 회로를 통해 SOC가 높은 배터리 팩에서 SOC가 낮은 배터리 팩으로 흐르는 전류를 해당 저항으로 조절하여 과전류로 인한 배터리 팩 부품의 소손을 방지하며,
   상기 배터리 팩 각각에 있는 MCU(Microcontroller Unit)를 통해 AFE(Analog Front-End)로부터 배터리의 전압 데이터를 수신하고,
   배터리 팩 간 SOC 차이가 허용 범위 내로 감소하면, 프리차지 회로를 비활성화하고 주된 전류 경로를 활성화 하여 병렬 연결된 배터리 팩 간의 전력 손실을 최소화하도록 제어하는 시스템.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 스위칭 로직은
   상기 프리차지 회로를 포함하는 프리차지 경로를 위한 제1 스위칭 소자 및 상기 주 전력 경로를 위한 제2 스위칭 소자를 포함하고,
   상기 인스트럭션들은, 상기 프로세서에 의해 실행 시에, 상기 시스템이
   상기 미리 설정된 SOC 차이 기준값을 초과하는 SOC 차이가 감지되는 경우, 상기 제1 스위칭 소자를 활성화하고 상기 제2 스위칭 소자는 비활성화하여 상기 프리차지 회로를 통해 초기 전류를 제한하고,
   상기 프리차지 회로가 활성화된 동안 각 배터리 팩의 전압 변화율을 실시간으로 모니터링하며,
   상기 모니터링된 전압 변화율에 기반하여, 상기 전압 변화율이 미리 설정된 제1 기준값보다 높은 경우 상기 제1 스위칭 소자의 펄스 폭 변조(PWM) 듀티 사이클을 낮추어 평균 전류를 감소시키고, 상기 전압 변화율이 상기 제1 기준값 이하인 경우 상기 듀티 사이클을 높여 전류 흐름을 원활하게 하는 방식으로 상기 제1 스위칭 소자의 펄스 폭 변조(PWM) 듀티 사이클을 조절함으로써 상기 배터리 팩 간에 이동하는 전류의 크기를 점진적으로 제어하고,
   상기 복수의 배터리 팩의 SOC 차이가 상기 미리 설정된 범위 내로 조정되는 경우, 상기 제1 스위칭 소자의 듀티 사이클을 서서히 낮추는 동시에 상기 제2 스위칭 소자의 듀티 사이클을 서서히 높이는 방식으로 상기 제1 스위칭 소자의 활성화를 점진적으로 감소시키는 동시에 상기 제2 스위칭 소자를 점진적으로 활성화하여 상기 주 전력 경로를 형성하며,
   상기 제1 스위칭 소자를 비활성화하고 상기 제2 스위칭 소자를 완전히 활성화하여 상기 완전 병렬 연결 상태로 전환하도록 제어하는 시스템.